(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属材料の一方の面に第１電解質溶液を接触させ、前記一方の面に対向する他方の面に第２電解質溶液を接触させる溶液接触ステップと、
前記金属材料を作用電極とした前記第１電解質溶液中に配置されている第１参照電極および第１対極において、前記金属材料の電位を前記第１参照電極に対して一定とした状態で、前記金属材料と前記第１対極との間に印加する電圧を掃引する電圧掃引ステップと、
前記金属材料を作用電極とした前記第２電解質溶液中に配置されている第２参照電極および第２対極において、前記金属材料の電位を前記第２参照電極に対して一定とした状態で、前記金属材料と前記第１対極との間に印加する電圧を掃引したときに、前記金属材料と前記第２対極との間に流れる電流を測定する電流測定ステップと、
前記金属材料と前記第１対極との間に印加する電圧を掃引したときに測定された、前記金属材料と前記第２対極との間に流れる電流の変化により前記金属材料が水素を吸蔵する状態を評価する評価ステップと
を少なくとも備え、
前記評価ステップでは、
前記金属材料と前記第１対極との間に印加する電圧を掃引したときに測定される、前記金属材料と前記第２対極との間に流れる電流が規定値を超えて変化したときの電圧値と、前記金属材料の前記一方の面と前記他方の面との間の距離と、電圧の掃引の速度とにより、前記金属材料に水素が侵入する電位を特定し、特定した水素が侵入する電位より前記金属材料が水素を吸蔵する状態を評価する
ことを特徴とする水素吸蔵評価方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋼材などの金属材料中に吸蔵される水素の状態を評価する水素吸蔵評価方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
金属から構成された構造物をある条件下で使用している過程で、突然に破壊が起こる現象があり、遅れ破壊と呼ばれている。この遅れ破壊のメカニズムは十分に解明されていないが、原因の１つに水素がある。水素が金属に侵入して金属の延性が失われることで、強度が著しく低下し、上述した遅れ破壊が起こるとされ、水素脆化と呼ばれている（非特許文献１）。多くの研究者はこの水素脆化に着目し、金属が水素脆化する条件を検討している。例えば、アルカリ溶液中において、金属材料に水素が侵入する値（水素透過係数）の対数と、金属材料に印加する電位（水素過電圧）との関係（非特許文献２参照）から、金属材料が水素脆化により割れが発生する電位を特定している（非特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】南雲  道彦、「鋼の力学的挙動に及ぼす水素の影響」、鉄と鋼、Tetsu-to-Hagane、Vol.90、No.10、pp.766-775, 2004．
【非特許文献２】原  卓也、朝日  均、「材料と環境２００７」予稿集、Ａ−３０７、１１１−１１４頁。
【非特許文献３】原  卓也，樽井敏三、「アルカリ環境での鋼中への水素侵入挙動」、材料と環境、vpl. 59, １７３−１７８頁、２０１０年。
【非特許文献４】コンクリート構造物における自然電位測定方法、JSCE-E 601-2000、平成１２年。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述した技術では、次に示すような問題があった。上述した技術では、複数の水素過電圧における水素透過係数を測定し、これらの結果より得られる相関関係から水素が侵入する電位を特定している。例えば、図５に示すように、まず、複数の実験により得られる測定結果をもとに、水素過電圧と水素透過係数の対数との関係をグラフとする。次いで、既知の、水素が透過しない場合の水素透過係数をもとに、図５のグラフより、水素が侵入する水素過電圧を特定し、水素吸蔵の状態を評価する（非特許文献３参照）。
【０００５】
上述した方法では、水素過電圧と水素透過係数の対数との関係を示すグラフを得るために、複数の測定データが必要となり、複数の測定データを得るために、複数回の実験（測定）が必要となり、手間がかかるという問題がある。また、この測定データを得るためには、よく知られているように、各測定毎に、ある程度の時間をかけて測定値が安定した状態の値を用いる必要があるため、この点でも、手間がかかるという問題がある。
【０００６】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、多くの手間をかけることなく、金属材料が水素を吸蔵する状態が評価できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る水素吸蔵評価方法は、金属材料の一方の面に第１電解質溶液を接触させ、一方の面に対向する他方の面に第２電解質溶液を接触させる溶液接触ステップと、金属材料を作用電極とした第１電解質溶液中に配置されている第１参照電極および第１対極において、金属材料の電位を第１参照電極に対して一定とした状態で、金属材料と第１対極との間に印加する電圧を掃引する電圧掃引ステップと、金属材料を作用電極とした第２電解質溶液中に配置されている第２参照電極および第２対極において、金属材料の電位を第２参照電極に対して一定とした状態で、金属材料と第１対極との間に印加する電圧を掃引したときに、金属材料と第２対極との間に流れる電流を測定する電流測定ステップと、金属材料と第１対極との間に印加する電圧を掃引したときに測定された、金属材料と第２対極との間に流れる電流の変化により金属材料が水素を吸蔵する状態を評価する評価ステップとを少なくとも備える。
【０００８】
上記水素吸蔵評価方法において、評価ステップでは、金属材料と第１対極との間に印加する電圧を掃引したときに測定される、金属材料と第２対極との間に流れる電流が規定値を超えて変化したときの電圧値と、金属材料の一方の面と他方の面との間の距離と、電圧の掃引の速度とにより、金属材料に水素が侵入する電位を特定し、特定した水素が侵入する電位より金属材料が水素を吸蔵する状態を評価する。
【発明の効果】
【０００９】
以上説明したことにより、本発明によれば、多くの手間をかけることなく、金属材料が水素を吸蔵する状態が評価できるようになるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、本発明の実施の形態における水素吸蔵評価方法を説明するためのフローチャートである。
【図２】図２は、本発明の実施の形態における水素吸蔵評価方法を実施するための装置の構成例を示す構成図である。
【図３】図３は、本発明の実施の形態における水素吸蔵評価方法による電位掃引により測定された電流変化を示す特性図である。
【図４】図４は、本発明の実施の形態における水素吸蔵評価方法を実施するための他の装置の構成例を示す構成図である。
【図５】図５は、非特許文献３に記載された水素過電圧と水素透過係数の対数との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態について図１を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態における水素吸蔵評価方法を説明するためのフローチャートである。まず、ステップＳ１０１で、金属材料の一方の面に第１電解質溶液を接触させ、一方の面に対向する他方の面に第２電解質溶液を接触させる（溶液接触ステップ）。金属材料は、例えば、板厚１ｍｍの鋼板である。また、第１電解質溶液および第２電解質溶液は、水酸化ナトリウム水溶液（ｐＨ＝１３）であればよい。ここで、第１電解質溶液は、鋼材がコンクリート中の鉄筋である環境を模擬したものである。
【００１２】
次に、ステップＳ１０２で、金属材料を作用電極とした第１電解質溶液中に配置されている第１参照電極および第１対極において、金属材料の電位を第１参照電極に対して一定とした状態で、金属材料と第１対極との間に印加する電圧を掃引する（電圧掃引ステップ）。また、ステップＳ１０３で、金属材料を作用電極とした第２電解質溶液中に配置されている第２参照電極および第２対極において、金属材料の電位を第２参照電極に対して一定とした状態で、金属材料と第１対極との間に印加する電圧を掃引したときに、金属材料と第２対極との間に流れる電流を測定する（電流測定ステップ）。この後、ステップＳ１０４で、金属材料と第１対極との間に印加する電圧を掃引したときに測定された、金属材料と第２対極との間に流れる電流の変化により金属材料が水素を吸蔵する状態を評価する（評価ステップ）。
【００１３】
上述したステップＳ１０１〜Ｓ１０３の実施には、図２に示す測定装置を用いればよい。この測定装置は、まず、測定対象の金属材料２０１と、容器２０２，容器２０３を備える。容器２０２には、第１電解質溶液２２１が収容され、第１電解質溶液２２１には、第１参照電極２２２および第１対極２２３が浸漬されている。一方、容器２０３には、第２電解質溶液２３１が収容され、第２電解質溶液２３１には、第２参照電極２３２および第２対極２３３が浸漬されている。各参照電極には、例えば、飽和ＫＣｌ溶液のＡｇ／ＡｇＣｌ電極を用いればよい。また、各対極は、例えば、Ｐｔから構成すればよい。
【００１４】
また、金属材料２０１は、対向する一方の面が、容器２０２の開口部２０２ａにおいて第１電解質溶液２２１に接触し、対向する他方の面が、容器２０３の開口部２０３ａにおいて第２電解質溶液２３１に接触している。
【００１５】
各電極における電位制御および電流測定は、ポテンショスタットを用いればよい。図２に示すように、第１参照電極２２２および第１対極２２３は、ポテンショスタット２２４に接続し、第２参照電極２３２および第２対極２３３は、ポテンショスタット２３４に接続する。また、作用電極となる金属材料２０１は、ポテンショスタット２２４およびポテンショスタット２３４に接続する。ポテンショスタット２２４は、電位掃引印加手段となり、ポテンショスタット２３４は、電流測定手段となる。
【００１６】
上述したように各電極を各ポテンショスタットに接続し、例えば、ポテンショスタット２２４により金属材料２０１と第１対極２２３との間に印加する電圧を、走査（掃引）速度１ｍＶ／ｍｉｎで−６００ｍＶから−１２００ｍＶまで掃引する。このように掃引している状態で、ポテンショスタット２３４により、金属材料２０１と第２対極２３３との間に流れる電流を測定すると、第１電解質溶液２２１側から第２電解質溶液２３１側にかけて金属材料２０１を透過してきた水素が酸化することによる電流の変化が、図３に示すように観測されるようになる。なお、ポテンショスタット２２４では、金属材料２０１の電位を第１参照電極２２２に対して一定とした状態で、金属材料２０１と第１対極２２３との間に印加する電圧を掃引する。また、ポテンショスタット２３４では、金属材料２０１の電位を第２参照電極２３２に対して一定とした状態で、金属材料２０１と第２対極２３２との間に流れる電流を測定する。
【００１７】
図３は、電位掃引により測定された電流変化を示す特性図であり、横軸は第１電解質溶液２２１側で印加されている電極電位、縦軸は第２電解質溶液２３１側で測定されている水素検出電流を示している。図３に示されているように、電位が約−９３０ｍＶ（ｖｓ．Ａｇ／ＡｇＣｌ）のときに、規定値を超えて電流が変化しており、水素が検出されたことがわかる。既定値としては、例えば、電流密度の変化量を０．０１μＡ／ｃｍ2程度とすればよい。ただし、金属材料に侵入した水素が金属材料を透過するまでに、時間を要することを考慮すると、実際には、−９００ｍＶ以下の電位になったときに水素が吸蔵され始めていると考えられる。
【００１８】
まず、第１電解質溶液側から金属材料に侵入した水素が、厚さ１ｍｍの金属材料中を移動するのに３０分程度かかることが、実験により確認されている。従って、第２電解質溶液側で水素が検出された時点より、３０分前に第１電解質溶液側で金属材料に対して水素が侵入し始めたものとすることができる。また、掃引速度１ｍＶ／ｍｉｎとしているので、３０分前に印加している電位は、３０ｍＶ大きいものとなる。これらを考慮すると、測定された−９３０ｍＶより３０ｍＶ大きい−９００ｍＶが、水素が吸蔵され（侵入し）始めた電位であるとすることができる。
【００１９】
以上に説明したように、本発明によれば、第１電解質溶液により金属材料が用いられる環境を模擬した状態で、電位を掃引して測定される電流の変化を測定するようにしたので、多くの手間をかけることなく、環境中の金属材料が水素を吸蔵する電位を推定することが可能となる。このように、本発明によれば、金属材料が水素を吸蔵する状態が、非常に簡便に評価できる。本発明により得られる評価の結果を、既存技術である自然電位測定法（非特許文献４参照）など環境中の材料の電位を観測した結果と対応させることにより、金属材料が水素脆化する状態を知ることができ、例えば、金属材料の更改判断が適切に行えるようになる。
【００２０】
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。例えば、対象となる金属材料は、板状に限るものではなく、例えば円筒形状としてもよい。
【００２１】
例えば、図４に示すように、円筒形状の鋼材４０１を、この一旦をゴムなどの封止部材４０２に封止し、容器４０３の中に配置する。この構成とすることで、容器４０３の内部では、鋼材４０１の内部空間と鋼材４０１の周囲の空間とを分離することかできる。この状態で、容器４０３に第１電解質溶液４０４を収容し、第１電解質溶液４０４に、第１参照電極４０５および対極４０６を浸漬する。また、鋼材４０１の内部には、第２電解質溶液４０７を収容し、第２電解質溶液４０７には、第２参照電極４０８および対極４０９を浸漬する。対極４０９は、第２参照電極４０８の周囲を取り巻く状態に配置すればよい。
【００２２】
また、対象とする金属材料の厚さ、言い換えると、第１電解質溶液が接触する一方の面と第２電解質溶液が接触する他方の面との間の距離は、１ｍｍに限定されるものではなく、適宜に設定して用いればよい。また、電解質溶液も水酸化ナトリウムに限るものではなく、電位の掃引速度も１ｍＶ／ｍｉｎに限るものではない。また、参照極は、飽和ＫＣｌ溶液のＡｇ／ＡｇＣｌ電極に限るものではなく、Ｉｒ／ＩｒＯ2電極であってもよい。各条件は、対象とする金属材料および金属材料が使用される環境に対応させ、適宜に設定し、設定した条件に対応して各々実験測定を行うようにすればよい。
【符号の説明】
【００２３】
２０１…金属材料、２０２…容器、２０２ａ…開口部、２０３…容器、２０３ａ…開口部、２２１…第１電解質溶液、２２２…第１参照電極、２２３…第１対極、２２４…ポテンショスタット、２３１…第２電解質溶液、２３２…第２参照電極、２３３…第２対極。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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